FPGA片上可编程系统设计概述资料
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FPGA数字逻辑系统设计
本课程的主要内容
• 一、概述 • 二、FPGA硬件资源及工作原理
• • • • • • 2.1 时钟资源和时钟 2.2 IO资源（FPGA的封装） 2.3 逻辑资源 2.4 数字信号处理单元工作原理 2.5 存储器资源 2.6 高速串行接口
• • • •
三、硬件描述语言-Verilog语言 四、基于ISE软件FPGA设计流程 五、基于FPGA的数字可编程系统设计 六、实验
一、概述
• FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的 ，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各 模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能 实现的功能，FPGA允许无限次的编程。 • FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因 此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的 配置模式，采用不同的编程方式。 •
• 参考教材 • 《Verilog 数字系统设计教程》夏宇闻 北京航空航天 大学出版社 • 参考资料： • 《 Verilog HDL 语言及数字系统设计》李景华，国 防工业出版社 • 《Xilinx 可编程逻辑器件应用与系统设计》孙航电 子工业出版社 • 不同厂家、不同系列的产品在性能上和结构上会有 一定差异。在实际应用中，要认真查看相应产品的 说明书。
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍-EDK软件
EDK是Xilinx公司推出的FPGA嵌入式开发工具，包 括嵌入式硬件平台开发工具（Platform Studio）、嵌入式 软件开发工具（ Platform Studio SDK）、嵌入式IBM PowerPC硬件处理器核、Xilinx MicroBlaze软处理器核、 开发所需的技术文档和IP，为设计嵌入式可编程系统提供 了全面的解决方案。
概述--FPGA原理（查找表技术）
查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，LUT本质上 就是一个RAM。 目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT 可以看成一个有4位地址线的 的RAM。 当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路 以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有 可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM，这样 ，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进 行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍-ChipScope Pro软件
Xilinx公司推出了在线逻辑分析仪，通过软件方式 为用户提供稳定和方便的解决方案。该在线逻辑分析仪 不仅具有逻辑分析仪的功能，而且成本低廉、操作简 单，因此具有极高的实用价值。 ChipScope Pro既可以独立使用，也可以在ISE集成 环境中使用，非常灵活，为用户提供方便和稳定的逻辑 分析解决方案，支持Spartan和Virtex全系列FPGA芯片。 ChipScope Pro将逻辑分析器、总线分析器和虚拟I/O 小型软件核直接插入到用户的设计当中，可以直接查看 任何内部信号和节点，包括嵌入式硬或软处理器。
Virtex-6 FPGAs Spartan-6 FPGAs
760K Logic Cell Device
公共资源
LUT-6 CLB 块RAM DSP Slices 高性能时钟
150K Logic Cell Device
FIFO 逻辑
三模式EMAC 系统监控器
*Optimized for target application in each family
概述--FPGA原理（四输入查找表结构）
LUT也称为函数发生器(Function generator,FG) 其功能被输入的数目限制，而不是被复 杂性所限； 贯穿LUT的时延是固定的；
Combinatorial Logic
A B C D Z
0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0
并行 I/O
HSS 收发器* PCIe® 接口
硬核存储器控制器
3.3 V兼容的I/O
Basic Architecture 21
一、概述 --- Xilinx配置FPGA的存储 器--PROM产品
Xilinx公司的Platform Flash PROM能为所有型号的 Xilinx FPGA提供非易失性存储。 全系列PROM的容量范围为1Mbit到256Mbit，兼容 任何一款Xilinx的FPGA芯片，具备完整的工业温度特 性， 支持IEEE1149.1所定义的JTAG边界扫描协议。 PROM芯片可以分成3.3V核电压的 系列和1.8V核电 压的系列两大类。
一、概述 --- Xilinx公司---PROM产品
串行配置
并行配置
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍开发工具
ISE Design Suite涉及了FPGA设计的各个应用方面，
包括逻辑开发、数字信号处理系统以及嵌入式系统开发等
FPGA开发的主要应用领域，主要包括： 1）ISE Design Tools：集成开发工具 2） EDK：嵌入式开发套件 3）System Generator：数字信号处理开发工具
一、概述
FPGA（现场可编程门阵列，Field－Programmable Gate Array ）：即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可 编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路 （ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路 的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
集成开发环境
数字信号处 理开发工具
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍ISE Foundation软件
ISE Foundation软件是Xilinx公司推出的FPGA/CPLD 集成开发环境，不仅包括逻辑设计所需的一切，还具有 简便易用的内置式工具和向导，使得I/O分配、功耗分 析、时序驱动设计收敛、HDL仿真等关键步骤变得容易 而直观。
一、概述-FPGA市场份额
Xilinx Altera 是世界可编程平台领导厂商
一、概述--应用领域
应用： 航空航天/军用产品 汽车 广播 消费类 数据处理/存储 工业/科技/医疗（ISM） 有线 无线
一、概述--应用领域
一、概述--主要发展例程(Xilinx)
1984年 Ross Freeman、Bernie Vonderschmitt 和 Jim Barnett 创立了 Xilinx。 1985 年 Xilinx 推出了它的第一款产品 - XC2064。 1991年 推出 XC4000™ 系列 FPGA。 1998年 推出 Virtex®™ FPGA 系列。 2002年 推出 CoolRunner-II 系列产品。 2003年 推出 Spartan®™-3 系列产品。 2006年 Xilinx 推出Virtex-5 系列的 FPGA。 2009年 Xilinx 推出Spartan-6和Virtex-6新一代 FPGA。 2011年 Xilinx 推出第7代FPGA系列产品,统一架构。
一、概述--芯片工艺的演进
Virtex-7 28-nm Virtex-6 Virtex-5
40-nm
65-nm
90-nm
Virtex-4
Virtex-II Pro Virtex-II Virtex-E Virtex
第一代 第二代 第三代 第四代 第五代 第六代 第七代
130-nm 150-nm
180-nm
0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 . . .
A B C D
Z
1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1
概述--FPGA原理（六输入查找表结构）
4/6输入LUT实现8:1多路复用器的原理
一、概述---新一代Virtex-6和Spartan-6FPGA产 品
220-nm
一、概述—新产品
1. 采用28nm的第7代FPGA产品已经上市。
一、概述—新产品
2. 嵌入ARM的Zynq™-7000 系列FPGA Zynq™-7000 系列是 Xilinx 推出的首款可扩展式处理 平台 (EPP)。该新型产品将业界标准 ARM双核 Cortex-A9 MPCore™ 处理系统与 Xilinx 一体化 28nm 可编程逻辑架 构整合在一起。 这种以处理器为核心的架构不但能够实现 FPGA 的高 度灵活性和可扩展性，同时还能带来类似于 ASIC 的高性 能和低功耗，以及 ASSP 的易用性。
一、概述
• FPGA的基本特点 • 1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片 生产，就能得到合用的芯片。 • 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 • 3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。 • 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风 险最小的器件之一。 • 5) FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、 TTL电平兼容。 • 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性 的最佳选择之一。
4）ChipScope Pro：在线逻辑分析仪工具
5）PlanAhead：用于布局和布线等设计分析工具
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍ISE13.1软件平台
在线逻辑分析 仪工具
片上系统开发
约束编辑器 核生成器 FPGA物理编辑器 下载工具 仿真库编译向导 时序分析器 功耗分析器
布局布线 工具
一、概述—新产品
ARM双核硬核处理器
先进的AXI4接口规范
提供外设 控制器 可编程逻辑 单元, DSP Slice, BRAM
集成了技术）
FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件 的基础上进一步发展起来的，它是作为ASIC领域中的一 种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又 克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。 由于FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本 结构不可能像ASIC那样通过固定的与非门来完成，而只 能采用一种易于反复配置的结构。 查找表可以很好地满足这一要求，目前主流FPGA都 采用了基于SRAM工艺的查找表结构，也有一些军品和 宇航级FPGA采用Flash或熔丝/反熔丝工艺查找表结构。
一、概述
• 加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配 置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片， 内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程 无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程 器即可。当需要修改FPGA功能时，只需更换或重新烧写 EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产 生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。
一、概述
• FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个 概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连 线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA） 是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及 CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查 找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个 D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O， 由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基 本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到 I/O模块。
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍System Generator软件
Xilinx公司推出了简化FPGA数字处理系统的集成开 发工具System Generator，快速、简易地将DSP系统的抽 象算法转化成可综合的、可靠的硬件系统，为DSP设计 者扫清了编程的障碍。 System Genetator和Mathworks公司的Simulink实现 无缝链接，在Simulink中实现信号的建模、仿真和处理 的所有过程。
本课程的主要内容
• 一、概述 • 二、FPGA硬件资源及工作原理
• • • • • • 2.1 时钟资源和时钟 2.2 IO资源（FPGA的封装） 2.3 逻辑资源 2.4 数字信号处理单元工作原理 2.5 存储器资源 2.6 高速串行接口
• • • •
三、硬件描述语言-Verilog语言 四、基于ISE软件FPGA设计流程 五、基于FPGA的数字可编程系统设计 六、实验
一、概述
• FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的 ，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各 模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能 实现的功能，FPGA允许无限次的编程。 • FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因 此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的 配置模式，采用不同的编程方式。 •
• 参考教材 • 《Verilog 数字系统设计教程》夏宇闻 北京航空航天 大学出版社 • 参考资料： • 《 Verilog HDL 语言及数字系统设计》李景华，国 防工业出版社 • 《Xilinx 可编程逻辑器件应用与系统设计》孙航电 子工业出版社 • 不同厂家、不同系列的产品在性能上和结构上会有 一定差异。在实际应用中，要认真查看相应产品的 说明书。
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍-EDK软件
EDK是Xilinx公司推出的FPGA嵌入式开发工具，包 括嵌入式硬件平台开发工具（Platform Studio）、嵌入式 软件开发工具（ Platform Studio SDK）、嵌入式IBM PowerPC硬件处理器核、Xilinx MicroBlaze软处理器核、 开发所需的技术文档和IP，为设计嵌入式可编程系统提供 了全面的解决方案。
概述--FPGA原理（查找表技术）
查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，LUT本质上 就是一个RAM。 目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT 可以看成一个有4位地址线的 的RAM。 当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路 以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有 可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM，这样 ，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进 行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍-ChipScope Pro软件
Xilinx公司推出了在线逻辑分析仪，通过软件方式 为用户提供稳定和方便的解决方案。该在线逻辑分析仪 不仅具有逻辑分析仪的功能，而且成本低廉、操作简 单，因此具有极高的实用价值。 ChipScope Pro既可以独立使用，也可以在ISE集成 环境中使用，非常灵活，为用户提供方便和稳定的逻辑 分析解决方案，支持Spartan和Virtex全系列FPGA芯片。 ChipScope Pro将逻辑分析器、总线分析器和虚拟I/O 小型软件核直接插入到用户的设计当中，可以直接查看 任何内部信号和节点，包括嵌入式硬或软处理器。
Virtex-6 FPGAs Spartan-6 FPGAs
760K Logic Cell Device
公共资源
LUT-6 CLB 块RAM DSP Slices 高性能时钟
150K Logic Cell Device
FIFO 逻辑
三模式EMAC 系统监控器
*Optimized for target application in each family
概述--FPGA原理（四输入查找表结构）
LUT也称为函数发生器(Function generator,FG) 其功能被输入的数目限制，而不是被复 杂性所限； 贯穿LUT的时延是固定的；
Combinatorial Logic
A B C D Z
0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0
并行 I/O
HSS 收发器* PCIe® 接口
硬核存储器控制器
3.3 V兼容的I/O
Basic Architecture 21
一、概述 --- Xilinx配置FPGA的存储 器--PROM产品
Xilinx公司的Platform Flash PROM能为所有型号的 Xilinx FPGA提供非易失性存储。 全系列PROM的容量范围为1Mbit到256Mbit，兼容 任何一款Xilinx的FPGA芯片，具备完整的工业温度特 性， 支持IEEE1149.1所定义的JTAG边界扫描协议。 PROM芯片可以分成3.3V核电压的 系列和1.8V核电 压的系列两大类。
一、概述 --- Xilinx公司---PROM产品
串行配置
并行配置
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍开发工具
ISE Design Suite涉及了FPGA设计的各个应用方面，
包括逻辑开发、数字信号处理系统以及嵌入式系统开发等
FPGA开发的主要应用领域，主要包括： 1）ISE Design Tools：集成开发工具 2） EDK：嵌入式开发套件 3）System Generator：数字信号处理开发工具
一、概述
FPGA（现场可编程门阵列，Field－Programmable Gate Array ）：即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可 编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路 （ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路 的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
集成开发环境
数字信号处 理开发工具
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍ISE Foundation软件
ISE Foundation软件是Xilinx公司推出的FPGA/CPLD 集成开发环境，不仅包括逻辑设计所需的一切，还具有 简便易用的内置式工具和向导，使得I/O分配、功耗分 析、时序驱动设计收敛、HDL仿真等关键步骤变得容易 而直观。
一、概述-FPGA市场份额
Xilinx Altera 是世界可编程平台领导厂商
一、概述--应用领域
应用： 航空航天/军用产品 汽车 广播 消费类 数据处理/存储 工业/科技/医疗（ISM） 有线 无线
一、概述--应用领域
一、概述--主要发展例程(Xilinx)
1984年 Ross Freeman、Bernie Vonderschmitt 和 Jim Barnett 创立了 Xilinx。 1985 年 Xilinx 推出了它的第一款产品 - XC2064。 1991年 推出 XC4000™ 系列 FPGA。 1998年 推出 Virtex®™ FPGA 系列。 2002年 推出 CoolRunner-II 系列产品。 2003年 推出 Spartan®™-3 系列产品。 2006年 Xilinx 推出Virtex-5 系列的 FPGA。 2009年 Xilinx 推出Spartan-6和Virtex-6新一代 FPGA。 2011年 Xilinx 推出第7代FPGA系列产品,统一架构。
一、概述--芯片工艺的演进
Virtex-7 28-nm Virtex-6 Virtex-5
40-nm
65-nm
90-nm
Virtex-4
Virtex-II Pro Virtex-II Virtex-E Virtex
第一代 第二代 第三代 第四代 第五代 第六代 第七代
130-nm 150-nm
180-nm
0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 . . .
A B C D
Z
1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1
概述--FPGA原理（六输入查找表结构）
4/6输入LUT实现8:1多路复用器的原理
一、概述---新一代Virtex-6和Spartan-6FPGA产 品
220-nm
一、概述—新产品
1. 采用28nm的第7代FPGA产品已经上市。
一、概述—新产品
2. 嵌入ARM的Zynq™-7000 系列FPGA Zynq™-7000 系列是 Xilinx 推出的首款可扩展式处理 平台 (EPP)。该新型产品将业界标准 ARM双核 Cortex-A9 MPCore™ 处理系统与 Xilinx 一体化 28nm 可编程逻辑架 构整合在一起。 这种以处理器为核心的架构不但能够实现 FPGA 的高 度灵活性和可扩展性，同时还能带来类似于 ASIC 的高性 能和低功耗，以及 ASSP 的易用性。
一、概述
• FPGA的基本特点 • 1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片 生产，就能得到合用的芯片。 • 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 • 3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。 • 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风 险最小的器件之一。 • 5) FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、 TTL电平兼容。 • 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性 的最佳选择之一。
4）ChipScope Pro：在线逻辑分析仪工具
5）PlanAhead：用于布局和布线等设计分析工具
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍ISE13.1软件平台
在线逻辑分析 仪工具
片上系统开发
约束编辑器 核生成器 FPGA物理编辑器 下载工具 仿真库编译向导 时序分析器 功耗分析器
布局布线 工具
一、概述—新产品
ARM双核硬核处理器
先进的AXI4接口规范
提供外设 控制器 可编程逻辑 单元, DSP Slice, BRAM
集成了技术）
FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件 的基础上进一步发展起来的，它是作为ASIC领域中的一 种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又 克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。 由于FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本 结构不可能像ASIC那样通过固定的与非门来完成，而只 能采用一种易于反复配置的结构。 查找表可以很好地满足这一要求，目前主流FPGA都 采用了基于SRAM工艺的查找表结构，也有一些军品和 宇航级FPGA采用Flash或熔丝/反熔丝工艺查找表结构。
一、概述
• 加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配 置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片， 内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程 无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程 器即可。当需要修改FPGA功能时，只需更换或重新烧写 EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产 生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。
一、概述
• FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个 概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连 线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA） 是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及 CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查 找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个 D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O， 由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基 本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到 I/O模块。
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍System Generator软件
Xilinx公司推出了简化FPGA数字处理系统的集成开 发工具System Generator，快速、简易地将DSP系统的抽 象算法转化成可综合的、可靠的硬件系统，为DSP设计 者扫清了编程的障碍。 System Genetator和Mathworks公司的Simulink实现 无缝链接，在Simulink中实现信号的建模、仿真和处理 的所有过程。